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1信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路根據(jù)功能分為輸入保護(hù)電路、抗混疊低通濾波電路、衰減電路、增益電路和電壓抬升電路。(1)輸入電壓幅值最高在24V，為防止輸入電壓超出可測(cè)范圍，在輸入端采用兩個(gè)24V的穩(wěn)壓管支路進(jìn)行電壓鉗位保護(hù)，并且分別在兩個(gè)支路串聯(lián)不同顏色的發(fā)光二極管以顯示正反向超壓。(2)為了消除高頻噪聲信號(hào)和被測(cè)信號(hào)中的高頻成分對(duì)信號(hào)采集的混疊效應(yīng)，設(shè)計(jì)了二階低通抗混疊濾波電路。為保證較好的抗混疊效果和測(cè)量帶寬，設(shè)定濾波器的截止頻率為300kHz。濾波電路形式固定如圖2所示，其頻域傳遞函數(shù)為。由式可得濾波器的截止頻率fp≈0．64f0，fp=300kHz，得RC=3．4×10－7s。通過(guò)multisim仿真比較確定參數(shù)值。抗混疊低通濾波電路如圖2所示。(3)LM3S9B96的ADC的輸入電壓范圍是0V～3V，要實(shí)現(xiàn)采集0V～±24V的輸入信號(hào)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減處理，衰減網(wǎng)絡(luò)采用兆歐級(jí)精密電阻組成，其中固定電阻設(shè)定為1MΩ。這里選擇8，4，2，1四級(jí)衰減，后期處理的數(shù)據(jù)可以通過(guò)移位操作進(jìn)行數(shù)據(jù)還原。電路實(shí)現(xiàn)選用OMRON公司G5V－1小信號(hào)繼電器作為開(kāi)關(guān)控制，根據(jù)上位機(jī)傳輸?shù)拿顏?lái)選擇合適的電阻支路。具體的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。(4)為滿足采集小信號(hào)的需求，采用TI公司的增益可編程儀表放大器PGA205。PGA205具有四級(jí)數(shù)控增益，數(shù)控端直接連接到微控制器的I/O引腳［5］。輸入幅值、放大倍數(shù)和數(shù)控端的對(duì)應(yīng)關(guān)系同上述衰減電路類似，這里不列表贅述。增益電路如圖3所示，PC4、PC5為數(shù)控端。(5)信號(hào)經(jīng)過(guò)衰減和放大電路的調(diào)理后電壓范圍為0V～±3V電壓信號(hào)將信號(hào)調(diào)理至0V～6V范圍，再經(jīng)過(guò)比例運(yùn)算電路做1/2分壓處理。運(yùn)放選擇TL052，是由TI公司生產(chǎn)的低失調(diào)加強(qiáng)型的JFET運(yùn)算放大器，相對(duì)于TL07和TL08系列具有更快的轉(zhuǎn)換速度。

2電源供電系統(tǒng)

本文中需要三級(jí)電源供電:3．3V，5V，±10V。5V電壓通過(guò)SPX1117－3．3V穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)變?yōu)?．3V為系統(tǒng)供電，±10V要是給可編程放大器PGA205和運(yùn)放TL052供電，該電壓需要5V電壓經(jīng)過(guò)Boost升壓電路得到，設(shè)計(jì)選用TPS61040開(kāi)關(guān)電源芯片，其為低功耗的DC/DCBoost轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部集成開(kāi)關(guān)管，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)1MHz，輸出電壓紋波低［6］。雙電源供電電路如圖4所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文軟件設(shè)計(jì)任務(wù)主要是LM3S9B96芯片的初始化和內(nèi)部各模塊之間的邏輯控制，包括根據(jù)上位機(jī)的指令來(lái)設(shè)定調(diào)理電路。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總的軟件任務(wù)框圖如圖5所示。信號(hào)調(diào)理任務(wù)負(fù)責(zé)根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的指令完成調(diào)理電路的設(shè)定;采樣任務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的采集;數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)任務(wù)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從ADC轉(zhuǎn)移到內(nèi)存，再轉(zhuǎn)移到USB緩存。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移任務(wù)利用DMA來(lái)實(shí)現(xiàn)，DMA的工作模式分為基本模式、乒乓模式和外設(shè)散聚模式，為了ADC采集不丟失數(shù)據(jù)，本文采用了乒乓模式，在程序設(shè)計(jì)時(shí)創(chuàng)建主數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體和副數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體交替接收數(shù)據(jù)，高效的完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移任務(wù);數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從微控制器通過(guò)USB總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。USB總線標(biāo)準(zhǔn)是在1994年由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出，包含了四種基本數(shù)據(jù)傳輸類型:控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸和等時(shí)傳輸，本文需要向上位機(jī)傳輸大量數(shù)據(jù)，選擇批量傳輸模式(BULK)傳輸數(shù)據(jù)［7］。基于LM3S系列芯片，TI公司提供了多層次十分豐富靈活的USB驅(qū)動(dòng)庫(kù)，簡(jiǎn)化軟件的實(shí)現(xiàn)。

4上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

NIVISA(VirtualInstrumentSoftwareArchitecture)是NI公司開(kāi)發(fā)的一種用來(lái)與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級(jí)應(yīng)用編程接口，VISA總線I/O軟件是一個(gè)綜合軟件包，不受平臺(tái)、總線和環(huán)境的限制。VISA是NI公司隨LabVIEW配套提供的，從3．0版本開(kāi)始支持USB通訊，根據(jù)是否符合USB測(cè)試和測(cè)量協(xié)議，VISA分為兩種VISA類函數(shù)，可以控制兩類USB設(shè)備:USBINSTR設(shè)備和USBRAW設(shè)備。這里使用USBRAW設(shè)備。利用VISA驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)向?qū)Мa(chǎn)生INF文件用來(lái)通知Window系統(tǒng)將NI－VISA用作USB設(shè)備的默認(rèn)驅(qū)動(dòng)，完成之后才可以正常和下位機(jī)通訊。USBRAW類設(shè)備的讀寫(xiě)時(shí)序?yàn)?1)ViOpen打開(kāi)VISA設(shè)備;(2)ViProperty設(shè)定VISA設(shè)備的屬性節(jié)點(diǎn)參數(shù)(指令端點(diǎn)和傳輸方式);(3)ViRead讀寫(xiě)USBRAW(發(fā)送命令和設(shè)定字?jǐn)?shù));(4)ViClose關(guān)閉VISA(釋放VISA設(shè)備所占資源)。上位機(jī)程序總體分為指令接受程序，數(shù)據(jù)接受程序、數(shù)據(jù)處理程序和波形顯示程序。數(shù)據(jù)處理程序框圖如圖6所示。

5系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果

為了測(cè)試系統(tǒng)的可靠性，本文使用數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器DF1405模擬傳感器輸出信號(hào)作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)試信號(hào)。經(jīng)測(cè)試，設(shè)計(jì)系統(tǒng)完整實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。5V10kHz正弦波測(cè)試結(jié)果如圖7所示，通過(guò)點(diǎn)擊Save控件可以完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

6結(jié)束語(yǔ)

從本文的硬件設(shè)計(jì)上看并不復(fù)雜，直接使用了集成AD的LM3S9B96芯片為主控制器，綜合了USB總線技術(shù)和功能強(qiáng)大的LabVIEW平臺(tái)，相對(duì)于傳統(tǒng)的示波器，這將大大減少了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的成本，并且能夠滿足中低頻的數(shù)據(jù)采集需要。經(jīng)過(guò)測(cè)試證明，設(shè)計(jì)方案高效，可靠，性能良好，具有較高的使用價(jià)值。

作者：丁君武殳國(guó)華張斌斌單位：上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院